Energía

Almacenamiento de energía

El almacenamiento de hidrógeno se refiere a la metodología para almacenar H₂ para su uso subsecuente. Almacenar el hidrógeno es uno de los objetivos para desarrollar una economía de hidrógeno. La mayoría de las investigaciones dirigidas al almacenamiento de hidrógeno se enfocan en almacenarlo de manera compacta y ligera para vehículos de hidrógeno. Para lograr dicho objetivo se estudian la optimización de distintos métodos, que incluyen: altas presiones, temperaturas criogénicas, pero principalmente en compuestos químicos que presenten capacidad de almacenamiento y liberación de hidrógeno, ya sea mediante enlaces químicos o por fisisorción.

Además de querer utilizarse en la industria automotriz, el hidrógeno tiene potencial uso en plantas de energía solar y energía eólica ya que se podría almacenar la energía excedente que se produce durante las horas pico de generación, para luego utilizarla en horas pico de consumo.

El hidrógeno, en comparación con los hidrocarburos (como la gasolina o el propano), es mucho más difícil de almacenar y transportar con la tecnología actual. El gas de hidrógeno tiene buena densidad por volumen, pero mala comparada con la de los hidrocarburos, por lo tanto requiere de un tanque más grande para ser almacenado. Un tanque de hidrógeno grande requeriría mayor espacio y será más pesado que un tanque pequeño utilizado para almacenar la misma cantidad. Incrementar la presión, mejoraría el volumen por densidad haciendo los tanques más pequeños, pero no más livianos (véase tanque de presión). Obtener hidrógeno comprimido requiere energía para usar el compresor, a mayor compresión implica más energía disipada en dicho paso.

Alternativamente el hidrógeno puede almacenarse de forma líquida (como en el transbordador espacial). Sin embargo el hidrógeno líquido requiere almacenamiento criogénico y éste hierve alrededor de los –252.882 °C. Por lo tanto su licuefacción requiere una gran disipación de energía porque requiere un alto aporte energético para enfriarlo a esa temperatura. Los tanques también deben estar bien aislados para prevenir evaporación. Los tanques con aislante térmico suelen ser caros y delicados. Asumiendo que todo eso sea resuelto el problema de la densidad sigue. El hidrógeno líquido tiene peor densidad por volumen que los combustibles de hidrocarburo de aproximadamente 4 a 1. Estos son los principales puntos sobre el problema de densidad del hidrógeno puro: Hay alrededor de 64% mas hidrógeno en un litro de gasolina (116 gramos) que en un litro de hidrógeno líquido puro (71 gramos). El carbón en la gasolina también contribuye a la combustión de energía. es un bioelemento.

Sistemas de Almacenamiento de Hidrógeno.

El almacenamiento y la distribución de hidrógeno, producido a partir de distintas fuentes y utilizado de diversas maneras, constituyen elementos clave de la economía del hidrógeno. El uso generalizado y flexible del hidrógeno como vector energético precisa métodos para almacenar el exceso de producción para un posterior uso, transportar el hidrógeno almacenado desde el punto de producción hasta el de consumo, y poder cargar y descargar convenientemente el hidrógeno desde y hasta el depósito de almacenamiento de acuerdo con las necesidades existentes. 

Dependiendo del uso final del hidrógeno, los sistemas de almacenamiento y las condiciones de los mismos deben variar. Por un lado, se utilizan sistemas estacionarios de almacenamiento, que pueden emplearse en la generación de energía eléctrica y térmica en el sector residencial, generación descentralizada de electricidad, aplicaciones industriales, etc. En estas aplicaciones, los sistemas de almacenamiento de hidrógeno tienen menos limitaciones en cuanto a superficie ocupada, peso y volumen, necesidad de sistemas auxiliares, etc. Por el contrario, el almacenamiento de hidrógeno para su uso en automoción presenta fuertes restricciones en cuanto a peso y volumen, existiendo unos límites mínimos de cantidad de hidrógeno almacenado que deben alcanzarse para que los vehículos alcancen autonomías equivalentes a los vehículos convencionales. Existen además otras restricciones en cuanto a condiciones de operación y cinética de suministro de hidrógeno, que condicionan su uso combinado con pilas de combustible en automóviles, autobuses, camiones, etc. Por tanto, los requisitos de un sistema de almacenamiento de hidrógeno para automoción son mucho más exigentes que los necesarios para aplicaciones estacionarias.

Gracias al peso específico que el sector transporte tiene a nivel mundial en el consumo de energía, y muy particularmente en los países desarrollados, los principales actores de este sector (fabricantes de automóviles, gobiernos, usuarios, organizaciones de protección medioambiental, etc.) están logrando que, ante la necesidad de dar respuesta a los desafíos planteados, la industria del automóvil actúe como “locomotora” y fuerza impulsora de gran parte de los desarrollos que se están realizando, tanto en el área del almacenamiento de hidrógeno como en otras tecnologías relacionadas con el hidrógeno y las pilas de combustible.

Es preciso reseñar que las características del hidrógeno (gas combustible, altamente inflamable, no tóxico, incoloro, inodoro e insípido) hacen de la seguridad un condicionante principal a la hora de seleccionar un sistema de almacenamiento de hidrógeno.

Existen diferentes formas de almacenar de hidrógeno que cumplen, en mayor o menor medida, los requisitos para poder trabajar en diferentes situaciones. Estos sistemas de almacenamiento pueden ser: 

• en gas a presión
• en forma líquida (almacenamiento criogénico)
• en hidruros metálicos
• en carbón, ya sea carbón activado, grafito, lechos de carbón molecular, nanofibras, fulerenos, etc.
• en forma de compuestos químico (NH3, tolueno, etc.)
• en microesferas de vidrio
• en zeolitas               

De todas estas opciones, actualmente solo las tres primeras presentan la suficiente fiabilidad como para estar presentes en el mercado y poder ser empleadas con suficientes garantías. El resto de posibilidades se encuentra aún en fases tempranas de investigación.

Almacenamiento de gas a presión.

Es la forma de almacenamiento más difundida y que cuenta con mayor experiencia. El hidrógeno puede ser almacenado en forma gaseosa en diferentes tipos de depósitos: depósitos de superficie móviles o estacionarios y cavernas subterráneas.

En los centros de producción de H2, el gas se comprime a 200 atmósferas y se envasa en botellas o plataformas. Estas botellas o plataformas se trasladan posteriormente a los centros de consumo.  A fin de disminuir el peso de estos sistemas de almacenamiento, desde hace unos años se viene ensayando en los envases el uso de materiales tipo "composite" poliméricos en sustitución del acero, con los mismos niveles de seguridad. 

En la actualidad existen depósitos de materiales compuestos que almacenan el gas a 5000 psi (350 bar) y son utilizados en numerosos vehículos de demostración. Más recientemente se están utilizando depósitos a 10000 psi (700 bar) ensayados y certificados para cumplir todos los requisitos exigidos en cuanto a seguridad, aunque su uso está aún limitado a proyectos de demostración. También es preciso tener en cuenta el coste energético de la compresión de hidrógeno, dependiendo del estado final e inicial.

Almacenamiento de hidrógeno líquido.

Las aplicaciones espaciales y de transporte suponen uno de los principales campo de uso de LH2. La temperatura de ebullición del hidrógeno a 1 atm. es de -252.76 ºC (20.39K). En estas condiciones la cantidad de energía almacenada puede alcanzar los 8.4 MJ/l. El hidrógeno sólo existe en forma líquida entre 14 y 20 K; siendo, salvo el helio, la más volátil de las sustancias. Esto quiere decir que para poder almacenar hidrógeno líquido a presión atmosférica hemos de mantener estas bajas temperaturas.

Aquí radica el principal inconveniente de almacenar y manipular el gas licuado en estas condiciones. El consumo energético teórico según el ciclo de Carnot del proceso de liquefacción es de 3.3 kWh/kg de H2. En la práctica, para grandes instalaciones, este consumo ronda los 10 kWh/kg, lo que supone casi un 30 % del contenido energético del hidrógeno.

Almacenamiento en hidruros metálicos.

Ya a finales de los años 60, diversos laboratorios y centros de investigación comenzaron a trabajar en ciertos compuestos metálicos que presentaban la propiedad de combinarse con el hidrógeno en una reacción más o menos reversible.

A partir de estos trabajos se comprobó que las reacciones químicas involucradas en los procesos de formación y descomposición de numerosos hidruros metálicos son lo suficientemente rápidas como para considerar su uso en sistemas de almacenamiento de hidrógeno. El campo de aplicación de estos sistemas de almacenamiento de hidrógeno mediante hidruros metálicos abarca un amplio rango de posibilidades, desde pequeños contenedores para bajos volúmenes hasta complejos sistemas de calefacción y refrigeración.

Es preciso que un hidruro metálico cumpla ciertos requisitos técnicos para que pueda ser considerado como un posible sistema de almacenamiento de hidrógeno. Estos requisitos son:

• El hidruro debe ser fácilmente formado y descompuesto.
• La cinética de las reacciones de absorción y desorción ha de ser lo suficientemente rápida para satisfacer los requerimientos de carga y descarga del sistema.
• La presión de equilibrio correspondiente a la temperatura de descomposición del hidruro debe ser en todo momento compatible con los requerimientos de seguridad del sistema.
• Debe mantener óptimas condiciones de operación durante el mayor número posible de ciclos carga/descarga.
• Debe poseer la máxima tolerancia posible a las impurezas gaseosas que aporte el hidrógeno, ya que éstas actúan dificultando las reacciones y disminuyendo la vida útil del sistema.

Existe una gran cantidad de hidruros comerciales, con ciclos de carga/descarga a diferentes presiones y temperaturas. El campo de aplicación de los hidruros metálicos no se centra únicamente en el almacenamiento de hidrógeno, sino que puede ampliarse a nuevos desarrollos en bombas de calor, compresores de hidrógeno y equipos de purificación.

compresor de hidrógeno es un aparato que incrementa la presión del hidrógeno reduciendo su volumen.¹ La compresión del gas de hidrógeno incrementa naturalmente su temperatura debido a la ley de los volúmenes² de Louis Joseph Gay-Lussac.³ Los compresores de hidrógeno están relacionados con los compresores de gas puesto que ambos incrementan la presión en un gas.